JP4690453B2 - Dynamic bandwidth allocation and service distinction for broadband passive optical network - Google Patents

Dynamic bandwidth allocation and service distinction for broadband passive optical network Download PDF

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Abstract

A dynamic upstream bandwidth allocation scheme is disclosed, i.e., limited sharing with traffic prediction (LSTP), to improve the bandwidth efficiency of upstream transmission over PONs. LSTP adopts the PON MAC control messages, and dynamically allocates bandwidth according to the on-line traffic load. The ONU bandwidth requirement includes the already buffered data and a prediction of the incoming data, thus reducing the frame delay and alleviating the data loss. ONUs are served by the OLT in a fixed order in LSTP to facilitate the traffic prediction. Each optical network unit (ONU) classifies its local traffic into three classes with descending priorities: expedited forwarding (EF), assured forwarding (AF), and best effort (BE). Data with higher priority replace data with lower priority when the buffer is full. In order to alleviate uncontrolled delay and unfair drop of the lower priority data, the priority-based scheduling is employed to deliver the buffered data in a particular transmission timeslot. The bandwidth allocation incorporates the service level agreements (SLAs) and the on-line traffic dynamics. The basic limited sharing with traffic prediction (LSTP) scheme is extended to serve the classified network traffic.

Description

本発明は、パッシブ光ネットワーク上での動的帯域幅割当の問題に関する。 The present invention relates to the problem of dynamic bandwidth allocation on a passive optical network. それは、多数の光ネットワークユニット(ONU)の中でアップストリームチャンネル帯域幅を仲裁する。 It arbitrate the upstream channel bandwidth in a plurality of optical network units (ONU). また、本発明は、パッシブ光ネットワーク(PON)上でのサービス区別の問題に関する。 Further, the present invention relates to service distinction problem in passive optical network (PON). それは、様々なエンドユーザにサービスを提供するためにキューイング、スケジューリング、及びクラスベースの帯域幅割当を統合する。 It integrates queuing, scheduling, and class-based bandwidth allocation in order to provide services to various end users. 特に、基本のトラフィック予測に対する限定的共有(LSTP)スキームは、ブロードバンドPON(EPON、BPON、GPON)上で分類されたネットワークトラフィックを供給するよう拡張される。 In particular, limiting sharing (LSTP) scheme of a basic traffic predictions, broadband PON (EPON, BPON, GPON) is extended to provide a network traffic classified on.

パッシブ光ネットワーク(PON)は、“アクセスネットワーク”としても知られる、サービスプロバイダ本社と消費者側との間における通信基盤のファーストマイルに取組む。 Passive Optical Network (PON) is also known as "access network", addresses the first mile of communication infrastructure between the service provider head office and consumer side. インターネット上で提供されるサービスの拡大に伴い、帯域幅の劇的増加は、波長分割多重(WDM)の使用を介してバックボーンネットワークで促進されてきており、一波長当り毎秒10ギガバイトを提供する。 With the expansion of services provided over the Internet, a dramatic increase in bandwidth has been promoted by the backbone network through the use of wavelength division multiplexing (WDM), to provide a per ten gigabytes per wavelength. 同時に、ローカルエリアネットワーク(LAN)は、10Mbpsから100Mbpsへ拡大されてきており、ギガビットイーサネット(登録商標)に更新されている。 At the same time, a local area network (LAN) has been increased from 10Mbps to 100Mbps, and is updated in Gigabit Ethernet (registered trademark). そのようなバックボーンネットワーク容量とエンドユーザのニーズとの間で広がる隔たりは、中間[3]でアクセスネットワークの深刻なネックをもたらす。 Its gap extending between the needs of such a backbone network capacity and end users, have serious neck of the access network at the intermediate [3]. エンドユーザへのマルチサービスアクセスを容易にするために低コストで効率的な機器を提供できるアクセスネットワーク技術を有するのが望ましい。 Have a access network technology that can provide efficient equipment at low cost to facilitate multi-service access to the end user is desirable. PONは、ブロードバンド加入者アクセスネットワークへの魅力的で有望な解決策として考えられる。 PON is considered as an attractive and promising solution to the broadband subscriber access network. 安価で単純で拡張性のある技術として、及び統合サービスを配信する機能を備えるPONは、ファーストマイル(EFM)調査委員会[1]及びITU−T研究グループ[2]におけるIEEE802.3ahイーサネット(登録商標)の標準化プロセスで議論されており、それらは、機器、動作、及びメンテナンスコストを最小限する一方、ブロードバンドサービスパフォーマンスを顕著に高めることを目的とする。 As a cheap and simple and scalable technology, and PON having a function to deliver the Integration Services, IEEE802.3ah Ethernet (registered in the first mile (EFM) Investigation Committee [1] and ITU-T Study Group [2] It is discussed in the standardization process trademark), which is equipment, operation, and while minimizing maintenance costs, and an object thereof is to enhance the broadband service performance significantly.

低コストで高速の技術として、及びPON標準であるIEEE802.3ah、ITU−T G. As a high-speed technology at low cost, and PON-standard is IEEE802.3ah, ITU-T G. 983x、及びITU−T G. 983x, and ITU-T G. 984xの最近の承認を備えるPONは、ブロードバンド加入者アクセスネットワークへの魅力的で有望な解決策である。 PON with the recent approval of 984x is an attractive and promising solution to the broadband subscriber access network. 図1に示す通り、PONは、プロバイダ本社に位置する光ライン端末(OLT)と、エンドユーザにブロードバンドサービスを配信する一組の関連した光ネットワークユニットユニット(ONU)とを含む。 As shown in FIG. 1, PON includes an optical line terminal located on the provider headquarters (OLT), and a set of related optical network unit unit to deliver broadband services to end users (ONU). 単一ファイバは、OLTから1:Nパッシブ光スプリッタに延在し、異なるONUに対する多数の単一ファイバの下がり(drop)を扇形に展開する。 Single fiber 1 from OLT: N extends to a passive optical splitter, deploying edge of a number of single fibers for different ONU a (drop) in the sector. 再生器及び増幅器等の、従来のアクセスネットワークにおける能動電子要素は、PONでは削除され、比較的安価なパッシブ光スプリッタに置換されており比較的維持が単純及び容易である。 Such regenerator and amplifier, active electronic elements in the conventional access network, the PON is deleted, relatively inexpensive are substituted at the passive optical splitter relatively maintenance is simple and easy. 主なPONの特徴は、多数のONU間に共有されたアップストリームチャンネルの有用性であるので、帯域幅管理は、PONの効率性を改善するために重要な問題である。 Features of main PON are the utility of the upstream channels that are shared between multiple ONU, bandwidth management is an important issue in order to improve the efficiency of the PON. 既存の帯域幅割当スキームは、いくつかの重要な限定を呈する。 Existing bandwidth allocation scheme presents several important limitations. 主な問題の一つは、待機時間中に到着するアップストリームデータが次のタイムスロットに配信できないので、追加のデータ遅延、深刻なデータ損失、及び比較的長いキューサイズを呈することである。 One of the main problem, because the up stream data to arrive during the waiting time can not be delivered to the next time slot, is to exhibit additional data delay, serious data loss, and a relatively long queue size. これらは、ブロードバンドアクセスネットワーク上で高い帯域効率を達成することの妨げである。 These are hindered to achieve high bandwidth efficiency over the broadband access network. 結果として、周知の利用可能な帯域幅割当スキームは、これらのネットワーク上で非効率である。 As a result, well-known available bandwidth allocation scheme is inefficient on these networks.

アクセスネットワークは、各種トラフィックに順応することが要求されるので、サービス区別は、PONが提供すると見込まれる顕著な特徴である。 Access network, since it is required to adapt to various traffic services distinction is a hallmark expected to PON is provided. 加入者のサービス内容合意書(SLA)の違いに起因して、異なるエンドユーザが別の帯域幅要件を有することがある。 Due to the difference of the subscribers of the service level agreements (SLA), which may differ from the end user has a different bandwidth requirements. 実際的なアプローチは、異なるトラフィックを供給するために様々な長さのタイムスロットを提供することによってタイムスロットベースの帯域幅割当を採用することである。 Practical approach is to employ the bandwidth allocation of time slots based by providing various lengths of time slots to provide different traffic. 既存のサービス区別スキームは、いくつかの重要な限定を呈する。 Existing service distinction scheme presents a number of important limitations. 主な問題は、どのようにローカルトラフィックをエンキュー及びスケジュールするか、及びどのように異なるキューにアップストリーム帯域幅を割当てるかを含む。 The main problems include how to enqueue and schedule local traffic, and how the assign different queues to upstream bandwidth. 利用可能なサービス区別スキームは、一部の問題を扱うだけであり、それらは、PON上で多様なトラフィックを配信するのに非効率である。 Available services distinguishable schemes are only dealing with the part of the problem, they are inefficient to deliver a variety of traffic on PON.

データは、ダウンストリームチャンネルの全帯域幅を用いてOLTからダウンストリームにONUへブロードキャストされる。 Data is broadcast to the ONU downstream from the OLT using the full bandwidth of the downstream channel. ONUは、伝えられたあて先アドレスを一致させることによって、それらに向かうことになっているデータを選択的に受信する。 The ONU, by matching the destination address conveyed selectively receives data that are to be directed to them.

PON上でOLTへアップストリームにデータを伝送するプロセスは、ローカルユーザへダウンストリームにデータを伝送するそれとは異なる。 The process of transmitting data upstream to the OLT over the PON, different from that for transmitting the data downstream to the local user. アップストリーム方向において、異なるチャンネル波長がアップストリームトラフィックに採用され、多数のONUがこの共通のアップストリームチャンネルを共有する。 In the upstream direction, a different channel wavelengths are employed in upstream traffic, a number of ONU sharing this common upstream channel. 故に、単一のONUのみが、データ衝突を回避するためにタイムスロット間で伝送することができる。 Thus, only a single ONU is able to transmit between the time slots in order to avoid data collisions. ローカルユーザからのデータは、独占的に割り当てられたタイムスロットが到着するまで、ONUで先ずバッファリングされる。 Data from the local user, exclusively assigned time slot to arrive, is first buffered by ONU. バッファデータは、全チャンネル速度でタイムスロットにおいてOLTに“バースト”される。 Buffer data is "burst" in OLT in time slot for all channels speed.

多様なサービス品質(QoS)を提供するために、アップストリームチャンネルの帯域幅管理は、成功的なPONの実行にとって重要な問題である。 To provide a variety of quality of service (QoS), and bandwidth management upstream channel is an important issue for successfully performing PON. 各種PON技術は、アップストリーム帯域幅割当を容易にするために、その独自のMAC制御メッセージを有する。 Various PON technology, in order to facilitate the upstream bandwidth allocation, has its own MAC control message. 例えば、EPONは、IEEE802.3ah EFM調査委員会が開発したマルチポイント制御プロトコル(MPCP)[1]を採用する。 For example, EPON adopts the IEEE802.3ah EFM survey multi-point control protocol committee has been developed (MPCP) [1]. REPORTメッセージは、OLTに帯域幅要件を報告するためにONUによって使用される一方、GATEメッセージは、特定のONUにタイムスロットを割り当てるためにOLTによって使用される。 REPORT message, while used by the ONU to report a bandwidth requirement to OLT, GATE message is used by the OLT to allocate time slots to a specific ONU. アップストリーム帯域幅割当を扱う資料において多数の提案が存在する。 Numerous proposals exist in the article dealing with upstream bandwidth allocation.

限定帯域幅割当(LBA)[3]スキームは、要求されたタイムスロット長をONUに許可するが、上限に過ぎない。 Limited bandwidth allocation (LBA) [3] scheme permits the requested time slot length to the ONU is only the upper limit. 帯域幅保証ポーリング(BGP)スキーム[4]は、そのサービス内容合意書(SLA)に従ってONUにタイムスロットを割り当てる。 Bandwidth guarantee polling (BGP) Scheme [4] assigns a time slot to an ONU in accordance with the service level agreement (SLA). Choi及びHuh[5]は、マルチメディアサービスに対して分類された帯域幅割当を提案した。 Choi and Huh [5] proposed a bandwidth allocation that is classified to the multimedia services. しかし、BGPスキームは、PON標準と互換性がなく、標準化されない。 However, BGP scheme, PON no standard compatible, not standardized. LBAスキームとChoi及びHuhスキームとは、ONU待機時間中に入来データを考慮せず、それは、キュー長さ報告の送信からバッファデータの送信に及ぶので、当該データは、次のタイムスロットへ延期される必要があり、追加の遅延及び損失を呈する。 The LBA scheme and Choi and Huh scheme, without taking into account the incoming data during ONU waiting time, it is so extends from the transmission queue length report to the transmission of the buffered data, the data is postponed to the next time slot needs to be, it exhibits an additional delay and loss.

Assiら[6]は、単に最後の待機時間中に実際の入来データの数でそれを置換することによる雑な方法で高い優先度のトラフィックの当該入来データを予測した。 Assi et al [6] was simply predict the incoming high priority data traffic in a coarse manner by replacing it by the number of actual incoming data during the last waiting time. 欠点は、かなりロードされたONUが少しロードされたONUの後に常に供給されると共に、ONUのサービス順番が劇的に変化することであるので、入来する高い優先度のトラフィックの予測は、各ONUの待機時間が劇的に変化することによりかなり損なわれる。 The disadvantage is, together with the ONU that is considerably loaded is always supplied after the ONU that is slightly loaded, so ONU service order is to change dramatically, the prediction of the high priority traffic incoming, each considerably impaired by the waiting time of the ONU will change dramatically.

本発明の方法は、かなり短い時間及び空間的計算量で多数のONU間に効率的及び動的にアップストリームチャンネル帯域幅を割り当てるための技術を提供する。 The method of the present invention provides a technique for assigning efficiently and dynamically upstream channel bandwidth between multiple ONU significantly faster and spatial complexity. また、本発明は、キューイング、スケジューリング、及びクラスベースの帯域幅割当の組合せを介して多用なネットワークトラフィックに対してサービスを区別するための技術を提供する。 The present invention also queuing, scheduling, and provides a technique for distinguishing the service for heavy network traffic through a combination of bandwidth allocation class-based.

我々は、動的アップストリーム帯域幅割当スキーム、即ちトラフィック予測に対する限定的共有(LSTP)を開示して、PON上でアップストリーム伝送の帯域効率を改善する。 We dynamically upstream bandwidth allocation schemes, namely discloses a limited share (LSTP) for traffic prediction to improve the bandwidth efficiency of upstream transmission over PON. LSTPは、標準MAC制御メッセージを採用し、オンライントラフィック負荷に従って帯域幅を動的に割り当てる。 LSTP employs a standard MAC control message, dynamically allocating bandwidth in accordance with the online traffic load. ONU報告は、既にバッファリングされたデータと、入来データの予測とを含むので、データ遅延を低減し、データ損失を緩和する。 ONU report, since already includes buffered data, and the incoming data predicted to reduce the data delay, to mitigate data loss. ONUは、トラフィック予測を容易にするためにLSTPの固定的順番でOLTによって供給される。 ONU is provided by the OLT in a fixed order of LSTP to facilitate traffic prediction.

PON上の帯域効率を改善するために、アップストリーム帯域幅は、オンラインネットワークトラフィック負荷に従って動的に割り当てられる。 To improve the bandwidth efficiency on the PON, upstream bandwidth is dynamically allocated according to the online network traffic load. 各タイムスロットの終わりに、ONUは、既にバッファリングされたデータと待機時間中に到着するデータの予測とを含む、そのローカルキューステータスを報告する。 At the end of each time slot, ONU already includes a prediction of the data arriving in the buffered data waiting time and reports the local queue status. 予測プロセスは、ネットワークトラフィックの集中的性質に基づくものであり、開示されたスキームに任意のサイズのPONに対する拡張性を与える、かなり低い計算の複雑性を有する。 Prediction process is based on intensive nature of network traffic, providing scalability for PON of any size in the disclosed scheme, with a complexity of much lower computation. トラフィック予測は、データレイテンシ及びデータ損失に対する低減に貢献する。 Traffic prediction contributes to a reduction for the data latency and data loss.

サービス区別に関して、各光ネットワークユニット(ONU)は、降順の優先度を備えた3つのクラスに、そのローカルトラフィックを分類し、それは、完全優先転送(EF)、相対的優先転送(AF)、及びベストエフォート(BE)である。 About services distinguished, each optical network unit (ONU) is in three classes with a decreasing priority order, classifies the local traffic, it is expedited forwarding (EF), Assured forwarding (AF), and it is a best-effort (bE). 比較的高い優先度を備えたデータは、バッファが満たされる時、比較的低い優先度を備えたデータと置換される。 Data having a relatively high priority when the buffer is filled, is replaced with data having a relatively low priority. 比較的低い優先度のデータの無制限の遅延及び不当な下がりを緩和するために、優先度ベースのスケジューリングは、特定の伝送タイムスロットにバッファデータを配信するよう採用される。 To mitigate the unlimited delay and unreasonable edge of a relatively lower priority data, the priority-based scheduling is employed to deliver the buffered data to a specific transmission time slot. 帯域幅割当は、サービス内容合意書(SLA)及びオンライントラフィックダイナミクスを組込む。 Bandwidth allocation incorporates a service level agreement (SLA) and online traffic dynamics. 基本のトラフィック予測に対する限定的共有(LSTP)スキームは、分類されたネットワークトラフィックを供給することが予期される。 Limiting sharing (LSTP) scheme of a basic traffic prediction, supplying the classified network traffic is expected.

PONに関する大きな課題は、MACプロトコル設計及びマルチサービスプロビジョニングを含む。 Major issues PON includes MAC protocol design and multi-service provisioning. パッシブ光スプリッタの方向性のために、イーサネット(登録商標)用に設計された従来のCSMA/CD MACプロトコルによってデータ衝突を検出することがONUにとって困難である。 For directional passive optical splitter, detecting data collisions by conventional CSMA / CD MAC protocol designed for Ethernet (registered trademark) is difficult for ONU. 故に、効率的なMACプロトコルは、高い帯域幅利用率を確保するために不可欠である。 Thus, efficient MAC protocol is essential in order to ensure a higher bandwidth utilization. PONは、アクセスネットワークが各種トラフィックに順応することが必要とされる一方で、直接QoS(サービス品質)を支援しないので、マルチサービスアクセスは、PONが提供すると見込まれる顕著な特徴である。 PON, while the access network is required to adapt to various traffic, does not support the direct QoS (Quality of Service), a multi-service access is the hallmark expected to PON is provided. 加入者のサービスレベル合意(SLA)の違いに起因して、異なるONUは、別の帯域幅要件を有することがある。 Due to differences in the subscriber service level agreements (SLA), different ONU may have different bandwidth requirements. 実際的なアプローチは、異なるONUに様々な長さのタイムスロットを提供することによって、タイムスロットベースの帯域幅割当を採用することである。 Practical approach by providing various lengths of time slots to different ONU, is to employ the bandwidth allocation of time slots based.

固定帯域幅割当(FBA)は、サービス周期毎に固定タイムスロット長を各ONUに許可する。 Fixed bandwidth allocation (FBA) permits the fixed time slot length to each ONU for each service cycle. サービス周期は、各ONUがOLTに一度そのデータを伝送する時間として定義される。 Service period, each ONU is defined as the time to transmit once the data to OLT. FBAは、まさに時分割多重アクセス(TDMA)のように動作し、各ONUのタイムスロットは、予め固定され、実際のトラフィック到着率に関連しない。 FBA operates as time division multiple access (TDMA) exactly, the time slots of each ONU, fixed in advance, not related to the actual traffic arrival rate. キューステータス報告及び伝送許可のオーバヘッドがなく、FBAは、実行しやすい。 Queue status report and there is no overhead of transmission permission, FBA is easy to do. 他方で、ONUは、たとえ伝送するデータがなくても、その割り当てられたタイムスロットに対してアップストリームチャンネルを占めるので、他のONUでバッファリングされた全データに対して遅れを増やすことになる。 On the other hand, ONU, even without the data to be even transmitted, so occupy upstream channel for the assigned time slot, it would increase the delay for all data buffered in another ONU . アップストリームチャンネルが少しロードされるか又はアイドル中でも、多数のデータがバッファにバックログされうるので、アップストリームチャンネルの不十分な利用をもたらす。 Even or idle upstream channel is slightly loaded, since a large number of data can be backlogged in the buffer, resulting in a poor utilization of the upstream channel.

限定帯域幅割当(LBA)は、ローカルキューサイズを報告するために、及び帯域幅仲裁決定を知らせるために、MAC制御メッセージを使用することによって入来トラフィックを監視する(例えば、EPONのREPORT/GATEメカニズム)。 Limited bandwidth allocation (LBA) is to report the local queue size, and to inform the bandwidth arbitration decision, to monitor the incoming traffic by using the MAC control message (e.g., EPON of REPORT / GATE mechanism). ONUのタイムスロット長は、最大タイムスロット長B maxによって上限にされ、それは、SLA又は他のシステムパラメータによって特定することができる。 Timeslot length of ONU is the upper limit by the maximum timeslot length B max, which can be identified by SLA or other system parameters. 報告されたキューサイズが上限未満の時、OLTは、帯域幅報告を許可し、そうでなければ、B maxが許可される。 When reported queue size is less than the upper limit, OLT authorizes the bandwidth reporting, otherwise, B max is permitted. LBAは、キューステータス報告を用いてトラフィック負荷を追跡し、許可されたタイムスロット長は、動的トラフィックに従って変化し、サービス周期は、ONUが各種サービス周期における異なるタイムスロット長を割当てられるので変化する。 LBA uses the queue status reports to track the traffic load, allowed timeslot length varies according to a dynamic traffic, service period, changes since ONU is assigned a time slot length that is different in various services cycle . LBAの保守的特徴は、その独自の上限によって各ONUを限定するので、アップストリーム帯域幅に対する積極的競争を制限する。 Maintenance characteristics of the LBA, so to limit the respective ONU by its own max limits the aggressive competition for upstream bandwidth.

上記帯域幅交渉メカニズムの下で、各ONUは、図3に示す通り、キューステータスを送信してからバッファリングされたデータを送信するまでの待機時間を受ける。 Under the bandwidth negotiation mechanism, each ONU, as shown in FIG. 3, receives the waiting time from the transmission of the queue status to the transmission of buffered data. 時間t でREPORTメッセージを送信する時、ONUは、既にバッファリングされたデータをOLTに報告するだけなので、待機時間(即ち、t −t )の間に到着したデータは、たとえアップストリームチャンネルが少しロードされても、次のタイムスロットへ延期される必要がある。 When sending REPORT message at time t 1, ONU, since it only reports already buffered data to OLT, data that arrive during the waiting time (i.e., t 3 -t 1), even if the upstream channel is be a little load, there is a need to be postponed to the next time slot. クレジットベースの帯域幅割当(CBA)[3]は、当該情報を考慮に入れ、OLTがアップストリーム帯域幅を割り当てる時、それは、各ONUの要件にクレジットを追加する。 Credit-based bandwidth allocation (CBA) [3] is put the information into account, when the OLT allocates upstream bandwidth, which will add credit to the requirements of each ONU. grant =B queue +Cであり、ここで、B grantは、ONUに対して許可された帯域幅であり、B queueは、バッファでキューアップされた(帯域幅に関する)データであり、Cは、クレジットである。 A B grant = B queue + C, where, B grant is allowed bandwidth for ONU, B queue is data (relating to bandwidth) the queue-up the buffer, C is, it is a credit. Cは、一定のクレジット又は線形のクレジットである。 C is a constant credit or linear credits. 待機時間中の入来データは、現在のタイムスロット内で伝送(又は部分的に伝送)されることが見込まれる。 Incoming data waiting time is transmitted in the current time slot (or partially transmitted) is It is expected.

LBAにおいて、上限未満の帯域幅要件で少しロードされたいくつかのONUが存在することがある。 In LBA, there may be several ONU that is slightly loaded with bandwidth requirements less than the upper limit. 少しロードされたONUの搾取されない帯域幅(under−exploited bandwidth)の合計は、過剰帯域幅と呼ばれ、即ちB excessである。 Total bit loaded ONU exploitation are not bandwidth (under-exploited bandwidth) is referred to as excess bandwidth, i.e., B excess. LBAの延長上として、過剰帯域幅再割当(EBR)は、かなりロードされたONUの間にそれを再分配することによってB excessを搾取する。 As above LBA extension of the excess bandwidth reallocation (EBR) may exploit B excess by redistributing it during the ONU that is considerably loaded. かなりロードされたONU は、追加の帯域幅B add,kを得て、ここでB add,k =(B excess *B max,k )/(シグマmax,i )であり、B max,iは、LBAで特定されたONU の帯域幅上限である。 ONU k is that is fairly loaded, additional bandwidth B the add, to obtain k, is where B add, k = (B excess * B max, k) / ( Sigma j B max, i), B max , i is a bandwidth limit of ONU i identified in LBA.

異なるONU間のアップストリームチャンネル帯域幅割当以外に、単一のONUがその異なるエンドユーザに多数のサービスを提供することが必要である。 Besides upstream channel bandwidth allocation among different ONU, it is necessary to provide a number of services a single ONU is in the different end users. 消費者宅内に属し、ONUは、エンドユーザに対するデータ、音声及び映像サービスを支援できなければならない。 Belongs to the consumer premises, ONU must be able to support data, voice and video services to the end user. これは、キューイング、スケジューリング、及びクラスベースの帯域幅割当の組み合わせを用いてアプローチすることができる。 This can be approached by using queuing, scheduling, and combinations class based bandwidth allocation.

各種PON技術は、サービス区別のためにその独自の支援を提供する。 Various PON technology provides its own support for the service distinction. 例えば、EPONにおいて、図2に示す通り、一つの64バイトのGATEメッセージは、特定のONUに対する6つの許可まで伝える。 For example, the EPON, as shown in FIG. 2, one of the 64 bytes of the GATE message carries up to six permissions for a particular ONU. “許可数”フィールドは、メッセージ内にいくつの許可があるかを特定し、“許可レベル”フィールドは、許可が生成されるキューの順番を示す。 "Permitted Number" field specifies how many authorized in the message, "permission level" field indicates the order of the queue grant is generated. 各許可は、許可開始時間及び許可長さを含む。 Each authorization includes an authorization start time and allowed length. ONUからの、一つの64バイトのREPORTメッセージは、8つのキューのステータスまで報告する。 From the ONU, one of the 64 bytes of REPORT message, the report until the status of the eight queue. “報告ビットマップ”フィールドは、報告されたキューの順番を識別する。 "Reported bit map" field identifies the order of the reported queue. OLTは、帯域幅割当アルゴリズムに依存して、キューステータス報告を処理し、少なくとも一つの許可を含むGATEメッセージを返送する。 OLT, depending on the bandwidth allocation algorithm, the queues status report and returns the GATE message including at least one permission. 故に、ONUの多数のキューを報告し、ONUに多数の要件を許可することができるので、ONUのエンドユーザへのサービス区別プロビジョニング(service differentiation provisioning)を実現可能にする。 Thus, reports a number of queues ONU, it is possible to allow a large number of requirements to ONU, allowing realizing service distinction provisioning to the ONU end user (service differentiation provisioning).

異なるクラスにONUのトラフィックを分類することは、サービス区別[11]への実際的なアプローチである。 Classifying the ONU traffic into different classes is a practical approach to service distinguish [11]. 高い優先度のクラスは、“完全優先転送”(EF)であり、それは、遅延に敏感であり、帯域幅保証を必要とする。 High priority class is "Expedited Forwarding" (EF), which is sensitive to delay, and requires a bandwidth guarantee. 中間の優先度のクラスは、“相対的優先転送”(AF)であり、それは、遅延に敏感でないが、帯域幅保証を必要とする。 Medium priority class is "Assured Transfer" (AF), it is not sensitive to delay, and requires a bandwidth guarantee. 低い優先度のクラスは、“ベストエフォート”(BE)であり、それは、遅延に敏感でないし帯域幅保証もされない。 Low priority class is a "best effort" (BE), it is not even guaranteed bandwidth do not sensitive to delay. 異なるクラスに属するデータは、その対応する優先キューにエンキューされる。 Data belonging to different classes are enqueued in priority queue its corresponding. 全てのキューは、同じバッファを共有する。 All of the queue, share the same buffer. バッファが満たされる時、比較的高い優先度を備えた入来データは、入来する低い優先度のデータが直ちに下げられる一方、比較的低い優先度のデータを置換する。 When the buffer is filled, the incoming data having a relatively high priority, while the data of the lower priority the incoming is lowered immediately, to replace the relatively lower priority data. バッファリングされたデータは、特定のスケジューリングスキームに従って伝送される。 Buffered data is transmitted in accordance with a particular scheduling scheme. IEEE802.1D[12]で定義した通り、厳密な優先度のスケジューリングは、バッファリングされた比較的高い優先度のデータを初めに供給する。 As defined IEEE802.1D [12], strict priority scheduling is supplied to the beginning data of higher priority buffered. BEデータは、他の2つのキューが空の時のみ伝送できる。 BE data, the other two queues can be transmitted only when empty. 優先度の順番に従って、厳密な優先度のスケジューリングは、比較的高い優先度のデータを供給し、それは、比較的低い優先度のデータより先に、待機時間中に到着し、それは、既にバッファ内でキューアップされていることがある。 In order of priority, strict priority scheduling is to provide a relatively high priority data, it is ahead relatively lower priority data arrives during the waiting time, it is already in the buffer in there is that they are queue up. 図3に示す通り、待機時間(即ち、t −t )の間に到着するEFデータは、比較的早く(即ち、t 前に)到着するAF及びBEデータより先に供給される。 As shown in FIG. 3, the waiting time (i.e., t 7 -t 5) EF data arriving during a relatively fast (i.e., the t 5 above) is supplied before the AF and BE data arrives. 故に、比較的低い優先度のデータは、(バッファが満たされない場合に)無制限に増加する遅延又は(バッファが満たされる場合に)不当な下がりを被る。 Thus, a relatively lower priority data, (if the buffer is filled) delay or increases (if the buffer is not satisfied) unlimited suffer unfair edge.

優先度ベースのスケジューリング[5]は、特定の時間間隔内で厳密な優先度のスケジューリングを採用することによって不当性に取組む。 Priority based scheduling [5], addressing injustice by adopting the scheduling of strict priority within a particular time interval. ONUが一つの間隔で全てのバッファリングされたデータを伝送した後、この間隔後に到着するデータは、現在のタイムスロットが未だにさらなるデータを伝送できる場合に供給される。 After ONU has transmitted all the buffered data in one interval, the data arriving after this interval is provided when the current time slot is still able to transmit additional data. キューステータスを送信する間(即ち、図3のt からt )の時間として間隔を設定することによって、待機時間(即ち、t −t )に到着する比較的高い優先度のデータは、以前の間隔(即ち、t −t )の全データクラスが供給された後に供給される。 During the transmission of queue status (i.e., t 5 from t 1 in FIG. 3) by setting the interval as the time, the waiting time (i.e., t 7 -t 5) data higher priority arrives in the previous interval (i.e., t 5 -t 1) all data class is supplied after being fed. このスキームは、低い優先度のデータに有限遅延を提供する。 This scheme provides a finite delay to the low priority of the data.

参考資料[5]は、決定を行う前に全ONUからキューステータスを収集することによってクラスベースの帯域幅割当を扱う。 References [5], dealing with the bandwidth allocation of class-based by collecting the queue status from all ONU before making a decision. OLTは、その動的性に関わらず、全ONUのEFトラフィックに固定帯域幅を割当てる。 OLT, regardless of its dynamic properties, allocating fixed bandwidth to EF traffic of all ONU. AF要求は、以下のように許可される。 AF request is allowed as follows. 全ONUのAF要求の合計が、EFサービスを提供した後の残りの帯域幅以下の場合、全AF要求が許可され、そうでない場合、残りの帯域幅は、全てのAF要求の間で均等に分配される。 Total AF requests of all the ONU, the following cases remaining bandwidth after providing EF service, allowed all AF request, otherwise, the remaining bandwidth equally among all the AF requests It is distributed. EF及びAFトラフィックを供給した後の残りの帯域幅は、全てのBE要求の間で分配される。 The remaining bandwidth after supplying EF and AF traffic is distributed among all of the BE request. 主な欠点は、EFトラフィックに対する固定帯域幅割当を含み、それは、データ遅延を増やすことによってAF及びBEトラフィックを不利にし、長い報告収集時間は、全てのONUから報告を受信するまで終了しない。 The main drawback includes fixed bandwidth allocation for EF traffic, it is to penalize AF and BE traffic by increasing the data delay, long reporting collection time, not end until it receives a report from all ONU.

参考資料[6]で提案されたアルゴリズムは、以前の周期内のデータ量によって待機時間内に入来するEFトラフィックを推定し、DBA2と呼ばれる。 The algorithm proposed in reference [6], estimates the EF traffic coming within the waiting time by the amount of data of the previous cycle, called DBA2. 報告されたEFトラフィックは、報告されたAF及びBEトラフィックが実際にバッファリングされた量である一方、バッファリングされたEFデータ及び推定の合計である。 Reported EF traffic, one reported AF and BE traffic is an amount that is actually buffered, the sum of the EF data and the estimated buffered. 帯域幅要求は、かなりロードされたキューに対する許可が全報告の受信完了まで遅延される一方で少しロードされたキューが瞬時的許可を受けるとともに、EBRによって許可される。 Bandwidth requests are allowed for the queue that is significantly loaded with queues slightly loaded while being delayed until completion of reception of all reports undergo instantaneous permission is granted by the EBR. DBA2は、少しロードされたキューを即座に許可することによって全報告を収集する遅延を緩和する。 DBA2 is, to mitigate the delay to collect the full report by allowing to immediately queue, which is a little loaded. このアルゴリズムは、待機時間中に到着する入来EFデータを推定し、推定された帯域幅を割当てることによってEFトラフィックに優先度を与える。 The algorithm estimates the incoming EF data arriving during the waiting time, giving priority to EF traffic by assigning the estimated bandwidth. 欠点は、かなりロードされたONUが少しロードされたONUの後に常に供給されているとともに、ONUのサービス順番が、サービス周期毎に変化することであり、それにより、入来EFデータの推定は、各ONUの待機時間が劇的に変化しうるため、著しく損なわれる。 The disadvantage, together is always supplied after the ONU that ONU that is considerably loaded is slightly loaded, ONU service order is, is to change for each service period, it makes the estimation of the incoming EF data, since the waiting time of each ONU can change dramatically, greatly impaired.

トラフィック予測に対する限定的共有(LSTP)スキーム LSTPスキームは、アップストリーム帯域幅を割当てるためにPON MAC制御メッセージに依存する。 Limiting sharing (LSTP) Scheme LSTP scheme for traffic prediction depends on the PON MAC control message for allocating upstream bandwidth. 各ONUは、次のタイムスロットに対するその帯域幅要件を予測し、OLTにメッセージを送信する。 Each ONU is to predict the bandwidth requirements for the next time slot, sends a message to the OLT. OLTは、報告及びSLAに基づき帯域幅割当を決定する。 The OLT determines the bandwidth allocation based on the report and SLA.

消費者宅内に属し、ONUは、ローカルユーザに対するブロードバンドデータ、音声、及び映像サービスを支援できなければならない。 Belongs to the consumer premises, ONU must be able to support broadband data for the local user, voice, and video services. 異なるクラスにONUのトラフィックを分類することは、区別されたサービスをプロビジョニングするための実際的なアプローチである。 Classifying the ONU traffic into different classes is a practical approach to provision differentiated services. 我々は、Diffserv[7]からトラフィッククラスを借り、その中で、高い優先度のクラスは、完全優先転送(EF)であり、中間の優先度のクラスは、相対的優先転送(AF)であり、低い優先度のクラスは、ベストエフォート(BE)である。 We owe a traffic class from Diffserv [7], in which, the higher priority class are expedited forwarding (EF), medium priority class is an Assured forwarding (AF) , of the low priority class is a best-effort (bE). 異なるクラスに属するデータは、その対応する優先度のキューにエンキューされる。 Data belonging to different classes are enqueued in the queue of priority its corresponding. 全てのキューは、同じバッファを共有する。 All of the queue, share the same buffer. バッファが満たされる時、比較的高い優先度を備える入来データは、入来する低い優先度のデータが直ちに下げられる一方、比較的低い優先度のデータを置換する。 When the buffer is filled, the incoming data with a relatively high priority, while the data of the lower priority the incoming is lowered immediately, to replace the relatively lower priority data.

LSTPにおいて、図4に示す通り、各ONUは、その独占的に割り当てられたタイムスロットにおいてOLTにバッファリングされたデータを伝送する。 In LSTP, as shown in FIG. 4, each ONU transmits data buffered in the OLT in the exclusively assigned time slot. ONUは、アップストリーム制御メッセージ(例えば、EPONのREPORTメッセージ)を利用することによって次の伝送に対するその帯域幅要件をピギーバックする。 The ONU upstream control message (e.g., REPORT message EPON) piggybacks the bandwidth requirements for the next transmission by utilizing. OLTは、ダウンストリームメッセージ(例えば、EPONのGATEメッセージ)を返送することによって要件を許可し、固定的順番でONUを供給する(例えば、OLTは、図4に示す通り交互に2つのONUを供給し、それは、EPONシナリオを示す)。 The OLT downstream message (e.g., GATE message EPON) permit requirements by returning the supplies ONU in a fixed order (for example, the OLT provide two ONU as alternately shown in FIG. 4 and it shows the EPON scenario).

ONUのサービス間隔は、そのデータ伝送間の時間として定義される。 Service interval of ONU is defined as the time between the data transmission. 例えば、図4に示す通り、サービス間隔、例えばnは、ONU に関して、時間t から時間t に及ぶ。 For example, as shown in FIG. 4, service interval, for example n, with respect to ONU 1, ranging from the time t 1 to time t 6. 時間t2から時間t4は、ONU とOLTとの間のRTTに報告処理時間を加えたものである。 Time t4 from the time t2 is obtained by adding the reported processing time RTT between the ONU 1 and OLT. 時間t から時間t は、サービス間隔nにおいてONU に対する待ち時間であり、その間、ONU は、アイドルであり、ローカルユーザからのさらなるデータがエンキューされる。 Time t 6 from the time t 2 is the waiting time for ONU 1 in service interval n, while, ONU 1 is idle, further data from the local user is enqueued. ONU のサービス間隔(n+1)は、時間t で開始し、時間t から時間t の許可されたタイムスロットは、時間t で送信されたREPORTメッセージで決定される。 ONU 1 service interval (n + 1) starts at the time t 6, allowed time slot from the time t 6 time t 8 is determined by the REPORT message transmitted at time t 2. ONU に関して、サービス間隔nは、時間t で開始し、時間t で終了する。 Respect ONU 2, the service interval n, starting at time t 3, and ends at time t 9. 時間t から時間t は、ONU に対して独占的なタイムスロットであり、そのEF、AF及びBEキューステータスの報告は、時間t で送信される。 Time t 5 is a time t 3, the exclusive time slot relative to the ONU 2, the EF, reports AF and BE queues status, are transmitted at time t 5. 時間t から時間t は、サービス間隔nにおいてONU の待機時間である。 Time t 5 from the time t 9 is the waiting time of the ONU 2 in the service interval n.

LSTPにおいて、ONUは、以下のように、帯域幅に関して待機時間の間に到着したデータを予測する。 In LSTP, ONU, as follows predicting data that arrive during the waiting time with respect to bandwidth.

ここで、 here,

は、帯域幅に関してサービス間隔(n+1)の待機時間の間に到着したONU におけるクラスc(c∈{EF、AF、BE})の予測データであり、 Is the predicted data of the service interval with respect to bandwidth (n + 1) class in the ONU i that arrive during the waiting time of the c (c∈ {EF, AF, BE}),

は、帯域幅に関してサービス間隔nの待機時間の間にONU に到着したクラスcデータの実際量であり、 Is the actual amount of class c data arriving at ONU i during the waiting time of the service interval n terms of bandwidth,

は、重量ファクターであり、Lは、トラフィック予測器の順番である。 Is the weight factor, L is the order of the traffic predictor. 予測の背後の直感は、ネットワークトラフィックの自己相似性であり、それは、ネットワークトラフィックが長い範囲の依存性[8]を示し、トラフィックがタイムスロットの間で相関されることを意味する。 Intuition behind the prediction is a self-similar network traffic, it is network traffic shows a long range dependent [8], which means that traffic is correlated between the time slots.

重量ファクターは、以下のように最小二乗(LMS)アルゴリズム[9]によって更新される。 Weight factor is updated by the least-squares (LMS) algorithm [9] as follows.

ここで、μ(n)は、ステップサイズであり、 Here, mu (n) is the step size,

は、予測誤差、即ち、 The prediction error, that is,

である。 It is.

帯域幅予測に対する計算の複雑性は、O(L)である。 Computational complexity for bandwidth prediction is O (L).

帯域幅に関する予測データ、即ち、 Prediction data on the bandwidth, that is,

は、最適な場合、待機時間中の帯域幅に関する実際の到着データ、即ち、 The optimal case, the actual arrival data on the bandwidth of the waiting time, that is,

に等しくなるべきである。 It should be equal to.

予測器の不完全性に起因して、予測データは、実際のデータよりも小さいか又は大きくなることがある。 Due to the imperfections of the predictor, the prediction data may be smaller or larger than the actual data. 数7の予測誤差は、ステップサイズを順応的に適合するよう採用されるので、予測精度を改善する。 Prediction error of several 7, since it is employed to adaptively fit the step size, to improve the prediction accuracy.

サービス間隔nにおいて、ONU は、OLTにメッセージを送信することによってサービス間隔(n+1)にその帯域幅を必要とし、次の伝送に対する帯域幅要件を示す。 In service interval n, ONU i requires the bandwidth to service interval (n + 1) by sending a message to the OLT, indicating the bandwidth requirements for the next transmission. 帯域幅要件は、エンキューされたデータである Bandwidth requirements is the enqueued data

と予測の And prediction

との合計、即ち、 The sum of the, namely,

である。 It is.

OLTは、要件を受信した後に帯域幅割当決定を瞬時的に行う。 The OLT instantaneously performs the bandwidth allocation determined after receiving the requirements. サービス間隔(n+1)に対してONU におけるクラスcトラフィックの許可帯域幅は、 Allow the bandwidth of the class c traffic in ONU i for the service interval (n + 1),

であり、ここで、 , And the here,

は、トラフィッククラスcに対してSLAで特定されたONU の最大帯域幅パラメータである。 Is the maximum bandwidth parameter of ONU i specified in the SLA for a traffic class c.

ONU におけるクラスcトラフィックの帯域幅割当は、帯域幅要求の比較的小さい値である Bandwidth allocation class c traffic in ONU i is the relatively small value of the bandwidth request

と、最大帯域幅パラメータである When is the maximum bandwidth parameter

とによって上限にされる。 It is the upper limit by the. 割当てられた帯域幅は、帯域幅要件が最大帯域幅パラメータに過ぎない場合、入来トラフィック上で劇的に変化する。 Allocated bandwidth, if the bandwidth requirements are only maximum bandwidth parameter changes dramatically over the incoming traffic.

最適なケースにおいて、実際の入来データが予測結果と同一の時、全てのエンキューされたデータは、ONUからOLTに伝送され、次のタイムスロットに遅延されるデータがない。 In the best case, when the actual incoming data is identical to the prediction result, all enqueued data is transmitted from the ONU to the OLT, there is no data to be delayed to the next time slot. 実際のデータが予測未満の時、割当てられた帯域幅は、エンキューされたデータに対して十分長く、予測はまた、成功と見なされる。 When actual data is less than predicted, allocated bandwidth is sufficiently longer than the enqueued data, prediction is also considered successful. 実際のデータが予測を超える場合、割当てられたタイムスロットは、エンキューされたデータの一部のみ伝送することができ、残りのデータは、次のタイムスロットを待機しなければならない。 If the actual data exceeds the predicted, allocated time slot may be transmitted only part of the enqueued data, the remaining data, must wait for the next time slot. 予測は、その最後のケースで失敗する。 Prediction, fails in its last case. ネットワークパフォーマンスに対する予測成功可能性及びその影響は、次のセクションで理論的に分析される。 Successful prediction potential and its effect on network performance is theoretically analyzed in the next section.

パフォーマンス分析 このセクションにおいて、我々は、帯域幅予測の成功可能性、データ損失、及びデータ遅延に関してLSTPのパフォーマンスを分析する。 Performance Analysis In this section, we succeeded potential bandwidth prediction, data loss, and to analyze the performance of LSTP for data delay. 表記的簡易化のため、我々は、以下の分析においてサービス間隔の参照を省く。 For notational simplicity, we omit reference service interval in the following analysis.

予測誤差は、ネットワークパフォーマンス上で重要な役割を果たす。 Prediction error, plays an important role on the network performance. 我々は、 we,

の場合に帯域幅予測が成功であると見なす。 Regarded as the bandwidth prediction is successful in the case of. 故に、帯域幅予測の成功可能性は、 Thus, the success probability of bandwidth prediction,

となる。 To become.

LMSベースの適応的予測に関して、予測誤差は、ガウス分布[9]である。 Respect LMS-based adaptive prediction, the prediction error is Gaussian [9]. 予測誤差が平均 The average prediction error

及び、分散 And, the variance

即ち、 In other words,

を有すると仮定すると、帯域幅予測の成功可能性は、 Assuming having success potential for bandwidth prediction,

であり、ここで、 , And the here,

は、 It is,

である。 It is. 予測が失敗する可能性は、 The possibility that the prediction fails,

である。 It is.

データ遅延は、ONUバッファでパケットをエンキューしてからOLTにパケットの最後のビットを送信するまでの平均時間として定義される。 Data delay is defined as the average time from enqueued packets ONU buffer before sending the last bit of the packet to the OLT. 我々は、待機時間中の入来データの遅延に注目する。 It will focus on the delay of the incoming data waiting time. LSTPにおいて、データ遅延は、予測結果に従って異なる。 In LSTP, data delay is different according to the prediction result. 予測が成功、即ち、 Prediction is successful, that is,

の時、要求された帯域幅は、OLTに帯域時間中の入来データを伝送するのに十分であるので、データ遅延は、平均サービス間隔長さに関連する。 When the requested bandwidth, so it is sufficient to transmit the incoming data in band time OLT, data delay is related to the average service interval length. 平均サービス間隔長さがt intと仮定すると、成功予測下のデータ遅延は、t int /2である。 When the average service interval length is assumed to t int, data delay under successful prediction, a t int / 2.

の時、予測が失敗し、当該入来データは、伝送のために次のサービス間隔を待機しなければならない。 When the prediction fails, the incoming data has to wait for the next service interval for transmission. 対応する遅延は、トラフィック予測のないシステムにおける遅延と同じで、即ち、t int /2+t intである。 The corresponding delay is the same as the delay in no traffic prediction system, that is, t int / 2 + t int. 両方のケースを組合せると、データ遅延は、 The combination of both cases, data delay,

となる。 To become.

トラフィック予測のないシステムと比較すると、LSTPは以下の式により、待機時間に到着したデータのデータ遅延を改善する。 Compared to no traffic prediction system, LSTP by the following equation, to improve the data delay of data arriving at the standby time.

遅延の低減は、予測成功可能性と密接に関連する。 Reduction of the delay is closely linked to the successful prediction possibility. さらに正確に予測することは、比較的高い It is relatively high to more accurately predict

を意味し、待機時間中に到着したデータの遅延は、さらに低減される。 Means, delay of data arriving during the waiting time is further reduced.

LSTPは、優先されたキューイングメカニズムを採用する。 LSTP employs a prioritized queuing mechanism. 全てのデータクラスは、共通の物理バッファを共有する。 All data class, share a common physical buffer. EFデータは、最高の優先度を有し、AFデータは、中間の優先度を有し、BEデータは、最低の優先度を有する。 EF data has the highest priority, AF data, an intermediate priority, BE data has the lowest priority. 入来する比較的高い優先度のデータは、バッファが満たされている場合に比較的低い優先度のデータを置換する。 Data relatively high priority incoming replaces the relatively lower priority data if the buffer is filled.

バッファが満たされバッファで既にエンキューされたAF又はBEの何れもない場合、EFトラフィックは、データ損失を受ける。 If there already any of enqueued AF or BE in the buffer is filled the buffer, EF traffic is subject to data loss. ONU における固定バッファサイズをA と仮定すると、ONU におけるEFフレーム損失可能性は、 When a fixed buffer size in ONU i assuming A i, the EF frame loss possibilities in the ONU i,

となり、ここで、 Next, here,

及び as well as

はそれぞれ、EFトラフィック予測誤差 Respectively, EF traffic prediction error

の平均及び分散である。 A mean and variance.

入来するAFデータは、バッファが満たされエンキューされたデータがEF又はAFトラフィックに属する場合に失われる。 AF incoming data is enqueued data filled buffer is lost if it belongs to EF or AF traffic. 対応するデータ損失可能性は、 The corresponding data loss potential,

である。 It is.

EF及びAFトラフィックは、独立的であり、LSTPは、それぞれこれら2つのトラフィックに対して専用の予測器を採用するので、 EF and AF traffic are independent, so LSTP employs a dedicated predictor for the two traffic respectively,

及び as well as

は、独立的である。 Is an independent. また、 Also,

及び as well as

を仮定すると、 Assuming,

になる。 become.

類似して、BEデータは、バッファが満たされる場合に失われる。 Analogously, BE data is lost if the buffer is filled. EF、AF及びBEトラフィックの予測誤差がそれぞれ上記検討の通り、 EF, as the prediction error of the AF and BE traffic respectively above discussion,

及び as well as

と仮定すると。 Assuming that. これらの予測誤差は、独立的である。 These prediction errors are independent. 故に、ONU におけるBEトラフィックのデータ損失可能性は、 Thus, the data loss potential BE traffic in ONU i,

である。 It is.

シミュレーション LSTPスキームパフォーマンスは、シミュレーション結果を介して評価される。 Simulation LSTP scheme performance is evaluated through the simulation results. 図1に示すシステムモデルは、1個のOLT及び32個のONUを備えたOPNETシミュレータで設定される。 System model shown in FIG. 1, it is set in OPNET simulator with one OLT and 32 ONU. 各ONUは、20Mバイトの有限バッファを有し、ダウンストリーム及びアップストリームチャンネルは、両方とも1Gbpsである。 Each ONU has a finite buffer of 20M bytes, downstream and upstream channels are both 1Gbps. 入来トラフィックは、0.8のハーストパラメータに関して自己相似である。 Incoming traffic is self-similar with respect to the Hurst parameter of 0.8. イーサネット(登録商標)データの長さは、64バイトから1518バイトまでランダムに変化する。 Ethernet length of the data varies randomly from 64 bytes to 1518 bytes. 全ネットワークの全トラフィック負荷は、0.1から0.8まで変化し、トラフィックの20%、30%及び50%はそれぞれ、EF、AF及びBEデータである。 All traffic load of all network changes from 0.1 to 0.8, 20% of traffic, respectively 30% and 50%, EF, AF and BE data. 比較目的で、我々は、参考資料[3]のLBAスキーム、参考資料[6]のDBA2スキーム、及び我々が提案するLSTPスキームを、このシステムモデルに適用した。 For comparative purposes, we, LBA scheme References [3], DBA2 scheme of reference [6], and LSTP scheme we propose, was applied to the system model. LSTPにおける予測器の順番、即ちLは、4に設定され、ステップサイズμは、 The order of the predictor in the LSTP, i.e. L is set to 4, the step size mu,

によって設定される。 It is set by.

利点の象徴は、データ遅延及びデータ損失である。 Symbol of advantage is the data delay and data loss. 図5は、平均データ遅延及びネットワークトラフィック負荷の間の関係を示す。 Figure 5 shows the average data delay and the relationship between the network traffic load. LBAは、最長の遅延を受け、それは、LBAが待機時間中に入来データを無視する事実に起因するので、さらなるデータがおそらく次のタイムスロットへ延期される。 The LBA, received the longest delay, it is, because due to the fact that the LBA is to ignore the incoming data during the waiting time, additional data is probably postponed to the next time slot. DBA2は、待機時間中の入来EFトラフィックに対する粗い予測を採用することによってこの問題を和らげる。 DBA2 is relieve this problem by employing a coarse prediction for the incoming EF traffic waiting time. LBAからDBA2への遅延の低減は、トラフィック予測がアップストリーム伝送レイテンシを低減する重要な役割を果たすことを示す。 Reduction of delay from LBA to DBA2 indicates that play an important role in the traffic prediction is reduced upstream transmission latency. LSTPは、DBA2及びLBAよりも優れている。 LSTP is better than DBA2 and LBA. いくつかの点で、LSTPにおける最短平均データ遅延に貢献する。 In some ways, contributing to the minimum average data delay in LSTP. 第1に、LSTPは、DBA2における一つのみのクラス及びLBAにおけるトラフィック予測なしの代わりに、全てのトラフィッククラスを予測する。 To a 1, LSTP, instead of no traffic prediction in classes and LBA only one in DBA2, predicting all traffic classes. 第2に、予測精度は、LMSベースの予測器を採用することによってLSTPで改善され、それは、適応的なオンライントラフィック予測に適する。 Second, the prediction accuracy is improved by LSTP by employing the LMS-based predictor, it is suitable for adaptive online traffic prediction. 第3に、LSTPは、DBA2における動的サービス順番の代わりに固定的ONUサービス順番を実行し、DBA2におけるサービス間隔長さの劇的変化を低減するので、トラフィック予測を容易にする。 To the 3, LSTP executes a fixed ONU service order instead of dynamic service order in DBA2, since reducing the dramatic change in the service interval length in DBA2, to facilitate traffic prediction. 第4に、OLTは、LSTPにおいて瞬時的にONU帯域幅要件を回答する。 To a 4, OLT is momentarily answer the ONU bandwidth requirements in LSTP. DBA2において、かなりロードされたONUは常に、少しロードされたONUの後に供給され、これらのかなりロードされたONUに対して延期されたサービスは、入来データの比較的長い遅延をもたらす。 In DBA2, always ONU that it is significantly loaded, is provided after the ONU that is slightly loaded, deferred service for these ONU that is significantly loaded, provides a relatively long delay of the incoming data.

比較的短い平均データ遅延は、ONUが比較的早くデータを伝送することを意味するので、バッファのオーバフローのためにデータが下げられる機会が少ない。 Relatively short average data delay, it means that the ONU transmits a relatively fast data, is less chance of data is lowered because of the overflow of the buffer. データ損失に関するLBA、DBA2及びLSTPのパフォーマンスは、データ遅延のそれに類似した傾向を示す。 Performance of LBA, DBA2 and LSTP data loss shows a tendency similar to that of data delay. データ損失率は、全データ量に対する下げられたデータの数として定義される。 Data loss rate is defined as the number of data that has been lowered relative to the total amount of data. また、図6に示す通り、LBAは、最も多くのデータ損失を有し、LSTPは、最も少なく、LSTPが提供するトラフィック予測及び瞬時的帯域幅割当が予測帯域幅を要求することによってデータ損失を和らげることを意味するので、バッファにおけるバックログされたデータの数を低減する。 Further, as shown in FIG. 6, LBA has the most data loss, LSTP is the least, the data loss by traffic prediction and instantaneous bandwidth allocation LSTP provides requests predicted bandwidth it means that relieve, reduce the number of data backlog in the buffer.

開示されたLSTPスキームは、クラスベースのトラフィック予測とSLAベースの上限帯域幅割当とを用いてONUの間でアップストリーム帯域幅の共有を促進する。 The disclosed LSTP scheme facilitates the sharing of upstream bandwidth among the ONU by using the class-based traffic prediction and SLA-based upper bandwidth allocation. LSTPのパフォーマンスは、予測成功可能性、平均データ遅延、及びクラスベースのデータ損失可能性に関して理論的に分析される。 Performance of LSTP, the successful prediction potential, the average data delay, and theoretically analyzed for class-based data loss possibilities. シミュレーション結果は、LSTPが待機時間中に入来データの予測精度を高めること、及び改善されたトラフィック予測をもたらすので、データレイテンシ及び損失の低減に貢献する。 Simulation results, LSTP is possible to enhance the prediction accuracy of the incoming data during the waiting time, and therefore results in improved traffic predicted to contribute to reducing data latency and loss.

本発明の好ましい実施形態が説明目的で開示されたが、当業者であれば、多くの追加、変更及び代用が、添付の特許請求の範囲によって画定された本発明の範囲及び精神から逸脱することなく可能であることが分かる。 While the preferred embodiment of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art, many additions, modifications and substitutions, without departing from the scope and spirit of the invention as defined by the appended claims that it can be seen that it is possible without.

図1は、パッシブ光ネットワーク(PON)の機能ブロック図である。 Figure 1 is a functional block diagram of a passive optical network (PON). 図2は、本発明の好ましい実施形態に従って使用されるREPORTメッセージ及びGATEメッセージを示す図である。 Figure 2 is a diagram showing a REPORT message and GATE messages used in accordance with the preferred embodiment of the present invention. 図3は、EPONシナリオの動作を説明するのに役立つタイミングチャートである。 Figure 3 is a timing chart useful for explaining the operation of EPON scenario. 図4は、EPONにわたる動的帯域幅割当のためのトラフィック予測に対する限定的共有(LSTP)を組込むEPONの動作を説明するのに役立つタイミングチャートである。 Figure 4 is a timing chart useful for explaining the operation of EPON incorporating a limited share (LSTP) for traffic prediction for dynamic bandwidth allocation across EPON. 図5は、図4に示したタイプのシステムに関する、ネットワークトラフィック負荷に対する平均フレーム遅延のグラフである。 Figure 5 relates to a system of the type shown in FIG. 4 is a graph of the average frame delay for network traffic load. 図6は、図4に示したタイプのシステムに関する、ネットワークトラフィック負荷に対する損失割合からのグラフである。 Figure 6 relates to a system of the type shown in FIG. 4 is a graph of the percentage loss for network traffic load.

Claims (20)

  1. 端末及び複数のネットワークユニットを含む通信ネットワークにおいて、各ネットワークユニットにタイムスロットを割り当てるための方法であって、 In a communication network including a terminal and a plurality of network units, a method for allocating time slots to each network unit,
    前記端末は、時分割ベースで各タイムスロットにネットワークユニットからのアップストリーム通信を受信し、ネットワークユニットからの要求に応じてネットワークユニットの各タイムスロットに対して端末が決定した可変持続時間を許可することによってネットワークユニット間にアップストリーム帯域幅を分配するように構成され、 The terminal, when receiving the upstream communications from the network unit to each time slot division based, permits a variable duration terminal has determined for each time slot of the network unit in response to a request from the network unit configured to distribute upstream bandwidth between the network unit by,
    各ネットワークユニットは、それによって受信され、端末に向かうことになっているローカルデータを記憶するように構成され、 Each network unit is received thereby, configured to store the local data that are to be directed to the terminal,
    前記方法は、 The method,
    ネットワークユニットが、前記要求と該ネットワークユニットから前記端末への伝送の開始との間の間隔である待機時間の間に受信されるデータの量を、複数の以前の待機時間に受信されたデータの量に基づいて予測し、端末への伝送を待機する記憶されたローカルデータの量と、予測されたデータの量とに基づいて、要求持続時間を決定する、方法。 Each network unit, the amount of data received during the waiting time, which is the distance between the start of transmission to the terminal from the request and the network unit, which is received in a plurality of previous waiting time data of predicted based on the amount, the amount of local data stored to wait for transmission to the terminal, based on the amount of expected data to determine the required duration, method.
  2. 端末は、サービスプロバイダの本社に位置する光ライン端末であり、ネットワークユニットは、端末に光学的にリンクされた光ネットワークユニットであることを特徴とするネットワークで実行される請求項1に記載の方法。 Terminal is an optical line terminal located in the head office of the service provider, network unit A method according to claim 1 which is performed at the network, characterized in that it is optically linked optical network unit to the terminal .
  3. 端末は、ダウンストリーム通信のためのパッシブスプリッタであることを特徴とするネットワークで実行される請求項2に記載の方法。 Terminal The method of claim 2 which is executed in the network, which is a passive splitter for downstream communication.
  4. 要求は、データのバーストを送信する終わりにユニットによって送信され、時間の推定は、ユニットから端末への伝送に対する要求と次の開始との間の間隔で受信されたデータを伝送するのに必要な時間であることを特徴とする請求項1に記載の方法。 Request is sent by the unit to the end transmitting the burst of data, the estimation of the time required to transmit the data received in the spacing between the start request and the next for transmission from the unit to the terminal the method according to claim 1, characterized in that it is time.
  5. 一組の情報がネットワークユニットによって記憶され、一組のローカル情報の各データメンバーは、複数の所定の優先度レベルのうち一つを有し、方法は、ネットワークユニットにおいて、 データメンバーのバッファがターミナルに伝送されることを維持する過程と、特定の優先度のデータメンバーに各々が専用のキューに端末への伝送のためのデータメンバーをエンキューする過程と、ネットワークユニット要求と次のデータ伝送との間の間隔で、それにより、 バッファに以前に格納されているデータメンバーを、バッファが満たされる時に前記以前に格納されているデータメンバーより比較的高い優先度である受信されたデータメンバーに置換する過程と、をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の方法。 A set of information is stored by the network unit, a pair of the data member of the local information has one of a plurality of predetermined priority levels, the method, in a network unit, the data members of the buffer Terminal a step of maintaining to be transmitted, and the process to enqueue the data members for transmission to the terminal in each of the dedicated queue data members of a particular priority, the network unit requests and the next data transmission in the interval between, thereby replacing the data members stored previously in the buffer, the data members received the relatively higher priority than the data members stored previously when the buffer is filled the method according to claim 1, characterized by further comprising the steps, a.
  6. 端末は、サービスプロバイダの本社に位置する光ライン端末であり、ネットワークユニットは、端末に光学的にリンクされた光ネットワークユニットであることを特徴とするネットワークで実行される請求項5に記載の方法。 Terminal is an optical line terminal located in the head office of the service provider, network unit The method of claim 5 which is performed at the network, characterized in that it is optically linked optical network unit to the terminal .
  7. 端末は、ダウンストリーム通信のためのパッシブスプリッタであることを特徴とする請求項6に記載の方法。 Terminal The method of claim 6, characterized in that the passive splitter for downstream communication.
  8. 要求は、データのバーストを送信する終わりにユニットによって送信され、時間の推定は、ユニットから端末への伝送に対する要求と次の開始との間の間隔で受信されたデータを伝送するのに必要な時間であることを特徴とする請求項5に記載の方法。 Request is sent by the unit to the end transmitting the burst of data, the estimation of the time required to transmit the data received in the spacing between the start request and the next for transmission from the unit to the terminal the method according to claim 5, characterized in that it is time.
  9. 遅延に敏感で帯域幅保証を有するデータメンバーに対する最高の優先度、遅延に敏感でないが帯域幅保証を有するデータメンバーに対する第2の優先度、及び遅延に敏感でなく帯域幅保証を有さないデータメンバーに対する低い優先度として、優先度の降順で定義された3つの優先度があることを特徴とする請求項5に記載の方法。 Highest priority for sensitive data member having a bandwidth guaranteed delay, a second priority to data members having not sensitive bandwidth guarantees on the delay, and data having no bandwidth guarantee not delay sensitive as low priority to members, the method according to claim 5, characterized in that there are three priority defined in descending order of priority.
  10. 各ネットワークユニットが、 Each network unit,
    前記複数の以前の待機時間に受信されたデータの量と、前記複数の以前の待機時間に対応する重量ファクターとに基づいて、前記待機時間の間に受信されるデータの量を予測し、 Wherein a plurality of the amount of data received in the previous waiting time, based on the weight factor corresponding to said plurality of previous waiting time, and predict the amount of data that is received during the waiting time,
    サービス間隔nにおける前記待機時間の予測誤差に基づいて、サービス間隔(n+1)の重量ファクターを決定する Based on the prediction error of the waiting time in the service interval n, determining the weight factor of service interval (n + 1)
    請求項1に記載の方法。 The method of claim 1.
  11. 通信ネットワークにおいて端末と通信するためのネットワークユニットであって、 A network unit for communicating with a terminal in a communication network,
    該ネットワークユニットからの要求に応答してアップストリーム帯域幅を分配する前記端末に対して、時分割ベースで各タイムスロットアップストリーム通信を送信し、 To the terminal to distribute upstream bandwidth in response to a request from the network unit, when to transmit upstream communication to each time slot division basis,
    それによって受信され、 前記端末に向かうことになっているローカルデータを記憶し、 Received thereby storing local data that are to be directed to the terminal,
    複数の以前の待機時間の間に受信されたデータの量に基づいて、前記要求と、該ネットワークユニットから前記端末への伝送の開始との間の間隔である待機時間の間に受信されるデータの量を予測し、 Based on the amount of received data between the plurality of previous waiting time, data received during the waiting time is the interval between the said request, the start of transmission from the network unit to the terminal the amount to predict the,
    前記端末への伝送を待機する記憶されたローカルデータの量と、予測されたデータの量とに基づいて、要求持続時間を決定するように構成されている、ネットワークユニット The amount of local data stored to wait for transmission to the terminal, based on the amount of predicted data, is configured to determine the required duration, the network unit.
  12. 端末は、サービスプロバイダの本社に位置する光ライン端末であり、ネットワークユニットは、端末に光学的にリンクされた光ネットワークユニットであることを特徴とする請求項11に記載ネットワークユニット。 Terminal is an optical line terminal located in the head office of the service provider, network unit, the network unit according to claim 11, characterized in that the optically linked optical network unit to the terminal.
  13. ダウンストリーム通信のためのパッシブスプリッタである端末にインタフェースするよう構成されることを特徴とする請求項12に記載ネットワークユニット。 Network unit according to claim 12, characterized in that it is configured to interface to the terminal is a passive splitter for downstream communication.
  14. ユニットは、データのバーストを送信する終わりに要求を送信するよう構成され、時間の推定は、ユニットから端末への伝送に対する要求と次の開始との間の間隔で受信されたデータを伝送するのに必要な時間であることを特徴とする請求項11に記載ネットワークユニット。 Unit is configured to send a request to end transmits a burst of data, the estimation of the time to transmit the data received in the spacing between the start request and the next for transmission from the unit to the terminal network unit according to claim 11, characterized in that the time required for.
  15. 一組の情報がネットワークユニットによって記憶され、一組のローカル情報の各データメンバーは、複数の所定の優先度レベルのうち一つを有し、ネットワークユニットは、ターミナルに伝送されるデータメンバーのバッファと、特定の優先度のデータメンバーに各々が専用のキューに端末への伝送のためのデータメンバーに対する複数のキューと、をさらに具備し、ネットワークユニットは、ネットワークユニット要求と次のデータ伝送との間の間隔で、それにより、 バッファに以前に格納されているデータメンバーを、バッファが満たされる時に前記以前に格納されているデータメンバーより比較的高い優先度である受信されたデータメンバーに置換するよう構成されていることを特徴とする請求項11に記載ネットワークユニット。 A set of information is stored by the network unit, a pair of the data member of the local information has one of a plurality of predetermined priority levels, the network unit, the buffer of the data members that are transmitted to the terminal If, further comprising a plurality of queues, to each of the dedicated queues for data members for transmission to the terminal to the data members of a particular priority, the network unit, the network unit requests and the next data transmission in the interval between, thereby replacing the data members stored previously in the buffer, the data members received the relatively higher priority than the data members stored previously when the buffer is filled network unit according to claim 11, characterized in that it is configured.
  16. ネットワークユニットは、光ネットワークユニットであり、サービスプロバイダの本社に位置する光ライン端末である端末と交信し、端末に光学的にリンクされていることを特徴とする請求項11に記載ネットワークユニット。 Network unit is an optical network unit, the network unit according to claim 11 which communicates with the terminal is an optical line terminal located in the head office of the service provider, characterized in that it is optically linked to the terminal.
  17. ネットワークユニットは、ダウンストリーム通信のためのパッシブスプリッタである端末にインタフェースするよう構成されることを特徴とする請求項16に記載ネットワークユニット。 Network unit, the network unit according to claim 16, characterized in that it is configured to interface to the terminal is a passive splitter for downstream communication.
  18. ユニットは、データのバーストを送信する終わりに要求を送信するよう構成され、時間の推定は、ユニットから端末への伝送に対する要求と次の開始との間の間隔で受信されたデータを伝送するのに必要な時間であることを特徴とする請求項15に記載ネットワークユニット。 Unit is configured to send a request to end transmits a burst of data, the estimation of the time to transmit the data received in the spacing between the start request and the next for transmission from the unit to the terminal network unit according to claim 15, characterized in that the time required for.
  19. 遅延に敏感で帯域幅保証を有するデータメンバーに対する最高の優先度、遅延に敏感でないが帯域幅保証を有するデータメンバーに対する第2の優先度、及び遅延に敏感でなく帯域幅保証を有さないデータメンバーに対する低い優先度として、優先度の降順で定義された3つの優先度があることを特徴とする請求項16に記載ネットワークユニット。 Highest priority for sensitive data member having a bandwidth guaranteed delay, a second priority to data members having not sensitive bandwidth guarantees on the delay, and data having no bandwidth guarantee not delay sensitive lower as the priority, the network unit according to claim 16, characterized in that there are three priority defined in descending order of priority to members.
  20. 前記複数の以前の待機時間に受信されたデータの量と、前記複数の以前の待機時間に対応する重量ファクターとに基づいて、前記待機時間の間に受信されるデータの量を予測し、 Wherein a plurality of the amount of data received in the previous waiting time, based on the weight factor corresponding to said plurality of previous waiting time, and predict the amount of data that is received during the waiting time,
    サービス間隔nにおける前記待機時間の予測誤差に基づいて、サービス間隔(n+1)の重量ファクターを決定するように構成されている請求項12に記載のネットワークユニット。 Based on the prediction error of the waiting time in the service interval n, the network unit according to claim 12 which is configured to determine the weight factor of service interval (n + 1).
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